霍夢真，王章陶

（北京航空航天大學(xué)，北京 100083）

咖啡拉花機(jī)＊

霍夢真，王章陶

（北京航空航天大學(xué)，北京 100083）

咖啡作為世界三大飲品之一，被世人稱為最美味的植物飲料，留香在齒，讓舌頭的觸味達(dá)到極點(diǎn)。但是由于咖啡拉花細(xì)致優(yōu)雅，難度很高，一直以來，國內(nèi)外眾多公司企業(yè)都致力研究開發(fā)一款能拉花的機(jī)器。因此，設(shè)計(jì)了一款咖啡拉花機(jī)，可通過伺服控制、圖像處理、藍(lán)牙通信等原理實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動功能，即用戶在手機(jī)Android APP中上傳一張圖片，經(jīng)處理后點(diǎn)擊發(fā)送給咖啡拉花機(jī)，機(jī)器接收信號后便在咖啡奶泡上繪制出用戶所選擇的圖案，短短十幾秒鐘就可以DIY一杯屬于自己的獨(dú)一無二的拉花咖啡，開啟一天的美好時光。

咖啡；拉花機(jī)；自動控制；人機(jī)互動

經(jīng)調(diào)查，近年來咖啡消費(fèi)群體逐漸成長壯大，咖啡飲品既實(shí)用又能烘托出優(yōu)雅淡然的生活情調(diào)，無論是休閑場所，還是正式會談，都不失為一種彰顯品位的飲品。對于關(guān)注生活質(zhì)量的現(xiàn)代人而言，更是日常生活工作中不可或缺的提神利器。目前，只有國外少數(shù)公司開發(fā)了咖啡拉花機(jī)，比如美國的“Onlatte”公司就設(shè)計(jì)出了類似辦公用的桌面打印機(jī)技術(shù)的“Coffee Printer”，通過與電腦鏈接后可以用它打印出文字和非常精致的圖案；以色列初創(chuàng)公司Steam CC推出了一款名為“波紋制造者（Ripple Maker）的咖啡拉花機(jī)，這臺機(jī)器結(jié)合3D打印及噴墨技術(shù)，用戶通過配套的 iOS/Android APP從Ripples在線圖書館選擇自己想要的各種拉花形狀，然而，機(jī)器價格高達(dá)999美元，僅適用于一些向客戶提供咖啡的商業(yè)公司，且還要定期收取專利費(fèi)用，很難打開我國的市場。受到目前咖啡拉花機(jī)成果的啟發(fā)，我們決定研發(fā)出一臺能夠改變打印材料需要為可食用油墨或咖啡萃取物等特殊材料、拉花缺乏立體感等問題，且能夠?qū)崿F(xiàn)同樣拉花功能的咖啡拉花機(jī)。我們改進(jìn)后的產(chǎn)品使用的原料是純正咖啡，原料廉價易得，立體效果好，同時，還能夠克服當(dāng)前產(chǎn)品體積大、費(fèi)用高等缺陷，使其既能滿足咖啡館等場合的需要，又能推廣到家庭或個人使用。

1 基本框架

1.1 硬件架構(gòu)

硬件主要采用atmel公司的16位單片機(jī)進(jìn)行伺服控制，對于普通的伺服控制，該類單片機(jī)性能足夠，且廉價易得。單片機(jī)使用串口接收電腦指令，解算后轉(zhuǎn)化為x，y，z軸和步進(jìn)電機(jī)蠕動泵的控制脈沖信號輸出，以此實(shí)現(xiàn)伺服控制。

1.2 軟件架構(gòu)

軟件主要采用自主開發(fā)圖像處理軟件以及伺服程序，電腦端圖像處理軟件負(fù)責(zé)圖像處理，并且使用軌跡提取算法獲得圖像中的線條的軌跡信息，并轉(zhuǎn)化為單字節(jié)編碼儲存。為了與現(xiàn)有的G-code兼容，通過代碼轉(zhuǎn)換程序把軌跡代碼轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)G代碼，方便后期的批量生產(chǎn)。

2 核心技術(shù)

2.1 圖像提取

通過二值化、邊緣提取、形態(tài)學(xué)膨脹、去噪點(diǎn)等處理方法進(jìn)行圖像提取。

2.2 軌跡提取

軌跡提取代碼使用自適應(yīng)曲率尋跡算法。針對用戶圖像雜亂噪點(diǎn)較多的情況，設(shè)計(jì)了細(xì)化處理和去噪算法。

對原始圖像進(jìn)行二值化處理：進(jìn)行細(xì)化處理，細(xì)化處理會自動填充線條中的微小空隙，使其更加平滑；邊緣提取得到線條的信息；軌跡提取算法，如圖1所示。

圖1 軌跡提取

軌跡提取算法屬于循跡類算法，當(dāng)找到第一個軌跡上的點(diǎn)之后算法將搜索其周邊一定范圍內(nèi)的點(diǎn)，然后迭代執(zhí)行搜索下去；遇到分支時，通過計(jì)算分支的方向角和前一次的方向角來判斷分支方向，進(jìn)而選擇最大輪廓進(jìn)行搜索；在遇到斷點(diǎn)時，算法會自動擴(kuò)大搜索范圍。這樣的好處在于，對于曲率較小的軌跡可以使用較大的搜索范圍，以減少取樣點(diǎn)個數(shù)，對于曲率較大的部分能夠自動增加采樣點(diǎn)來進(jìn)行跟蹤，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)曲率軌跡提取。

路徑模擬程序能夠讀取軌跡信息編碼，然后將其復(fù)現(xiàn)出來，用戶之間可以方便地交流這些軌跡文件。

2.3 伺服控制

步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)方面，選用工業(yè)使用的標(biāo)準(zhǔn)42步進(jìn)電機(jī)，使用單片機(jī)系統(tǒng)控制步進(jìn)電動機(jī)。

2.4 物料控制

為了實(shí)現(xiàn)精確地控制打印線條的粗細(xì)，我們使用了步進(jìn)電機(jī)蠕動泵。它具有很高的響應(yīng)頻率和精密程度，使得我們打印控制更加方便、可靠。

2.5 人機(jī)互動（Android APP）

手機(jī)APP可實(shí)現(xiàn)打開圖庫選擇照片、拍照、畫圖、自定義提取圖片輪廓的閾值、內(nèi)置基本拉花圖案、藍(lán)牙連接拉花機(jī)器、1910社區(qū)交流、拉花圖案共享、一鍵拍照分享、意見反饋等功能。

2.5.1 圖像獲取

用戶通過拍照或圖庫提取圖片，進(jìn)行選擇。

2.5.2 圖像處理

用戶對圖像進(jìn)行截取，然后通過一鍵處理將圖像二值化；通過輪廓提取算法得出照片中物體的輪廓，并顯示到屏幕上；預(yù)處理；輪廓分段處理，即通過遍歷查找輪廓起點(diǎn)判斷下一個點(diǎn)的位置，依次進(jìn)行輪廓點(diǎn)的尋找，并將點(diǎn)的位置信息轉(zhuǎn)化為針頭的移動指令，通過藍(lán)牙發(fā)送到拉花機(jī)。

2.5.3 畫圖模塊

用戶可通過畫板畫出輪廓，通過上述處理后，同樣發(fā)到拉花機(jī)進(jìn)行打印。

3 前景方向

目前，美國的“Onlatte”公司設(shè)計(jì)出的類似辦公用的桌面打印機(jī)技術(shù)的“Coffee Printer”和以色列初創(chuàng)公司Steam CC推出的名為“波紋制造者（Ripple Maker）的咖啡拉花機(jī)都是以3D打印技術(shù)和噴墨技術(shù)為核心，是將已有的技術(shù)融合在一起，并沒有較大的創(chuàng)新，且為了適應(yīng)這種技術(shù)必須要特制拉花材料——咖啡萃取物。國內(nèi)申請專利的咖啡拉花機(jī)使用的是噴墨打印技術(shù)，拉花的耗材也不是咖啡而是可食用油墨。這兩款產(chǎn)品因?yàn)槭褂玫睦ú馁|(zhì)并非是傳統(tǒng)的咖啡拉花材料，制作出來的咖啡口感并不好，且由于專利等限制，產(chǎn)品體積大、價格高。

在技術(shù)方面，本文的設(shè)計(jì)摒棄了目前所采用的噴墨打印技術(shù)，結(jié)合十字滑臺定位技術(shù)，通過類似于咖啡拉花針的結(jié)構(gòu)在奶泡上勾勒出拉花圖案。與噴墨技術(shù)不同，我們的設(shè)計(jì)打印出來的圖案更加貼近于人工拉花，更具有拉花的美感，而非機(jī)械復(fù)制將粉末噴灑在奶泡上；我們選用的拉花原料為純正咖啡，而非咖啡萃取物或其他可食用色素，不僅在口感、口味上更舒服，且消除了食品安全隱患；本產(chǎn)品也采用手機(jī)APP來實(shí)現(xiàn)與機(jī)器的對接，但增添了圖片處理提取過程，即機(jī)器提取圖片輪廓進(jìn)行勾勒，縮短了制作一杯咖啡拉花所需要的時間，效率更高，實(shí)用性更好。

總體而言，本款咖啡機(jī)的設(shè)計(jì)既能滿足咖啡館等場合的需要，又能推廣到家庭或個人使用，在當(dāng)今市場上有更大的需求量，也具有更大的實(shí)際價值。

［1］王宗培.步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展及建議［J］.微電機(jī)，2004（04）.

［2］王宗培，趙書韜，任雷，等.混合式步進(jìn)電機(jī)的研究（一）［J］.電工技術(shù)雜志，1998（03）.

［3］張家生.電機(jī)原理與拖動基礎(chǔ)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

［4］周向紅.51系列單片機(jī)應(yīng)用與實(shí)踐教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［5］李惠，丁革建.智能手機(jī)操作系統(tǒng)概述［J］.電腦與電信，2009（03）.

［6］陳清.打印機(jī)技術(shù)研究和未來應(yīng)用趨勢初探［J］.電子世界，2013（16）.

F272

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.101

2095－6835（2017）21－0101－02

國家大學(xué)生自主創(chuàng)新項(xiàng)目基金支持

〔編輯：張思楠〕